ES2328657B1 - LOW CONSUMPTION DEMODULATOR. - Google Patents
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Abstract
Demodulador de bajo consumo, formado por un circuito que comprende un multiplicador de tensión (1) que eleva la tensión de entrada, un limitador de tensión (2) que evita que la tensión sobrepase un nivel determinado, una fuente de corriente (3) que acondiciona la señal tratada, un filtro paso bajo (4) que estabiliza la señal, y un comparador (5) que proporciona la señal de salida en función de dos señales procedentes del conjunto anterior, de las cuales una se toma como referencia para adaptar la señal tratada.Low consumption demodulator, consisting of a circuit comprising a voltage multiplier (1) that raises the input voltage, a voltage limiter (2) that prevents the voltage exceeds a certain level, a current source (3) which conditions the treated signal, a low pass filter (4) that stabilizes the signal, and a comparator (5) that provides the signal output based on two signals from the set above, of which one is taken as a reference to adapt the Signal treated.
Description
Demodulador de bajo consumo.Low consumption demodulator.
La presente invención está relacionada con los circuitos demoduladores, proponiendo un demodulador que por su bajo consumo puede ser utilizado ventajosamente en dispositivos inalámbricos.The present invention is related to demodulator circuits, proposing a demodulator that by its bass consumption can be used advantageously in devices Wireless
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Un demodulador es un dispositivo encargado de descifrar el mensaje que se recibe en los transceptores con comunicación a distancia.A demodulator is a device in charge of decrypt the message that is received in the transceivers with long distance comunication.
La demodulación que hay que hacer en una señal puede ser de diferentes tipos, dependiendo de la modulación con la que se recibe dicha señal. En función de esta clasificación, podemos encontrar demoduladores con diferentes designaciones: ASK, BPSK, QPSK, PWM, etc.The demodulation to be done in a signal it can be of different types, depending on the modulation with the that said signal is received. Based on this classification, We can find demodulators with different designations: ASK, BPSK, QPSK, PWM, etc.
En el mercado actual existen demoduladores basados en la modulación en amplitud, como pueden ser los del tipo ASK o PWM.In the current market there are demodulators based on amplitude modulation, such as the type ASK or PWM.
Dentro de la variedad de demoduladores en amplitud destacan los demoduladores tipo ASK, (como puede ser un tag RFID pasivo), los cuales presentan el inconveniente de que su consumo es excesivamente alto para ciertas aplicaciones.Within the variety of demodulators in amplitude highlights the demodulators type ASK, (as can be a passive RFID tag), which have the disadvantage that their Consumption is excessively high for certain applications.
Se ha observado que el consumo energético de los circuitos integrados es un factor crítico de diseño para ciertas aplicaciones, tales como las inalámbricas.It has been observed that the energy consumption of integrated circuits is a critical design factor for certain applications, such as wireless.
Este hecho supone una seria desventaja debido al acortamiento de la vida de su batería o de las menores distancias de comunicación alcanzadas por estos dispositivos.This fact is a serious disadvantage due to shortening the life of your battery or the shortest distances of communication achieved by these devices.
Por todo lo mencionado anteriormente, existe una necesidad de demoduladores de bajo consumo para poder ser usados en aplicaciones inalámbricas.For everything mentioned above, there is a need for low power demodulators to be used in wireless applications.
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De acuerdo con la siguiente invención se propone un demodulador de bajo consumo del tipo ASK, que es robusto frente al ruido proveniente de la señal de entrada, así como frente a variaciones con un alto rango dinámico en la potencia de entrada, y frente a las dispersiones de proceso.In accordance with the following invention it is proposed a low consumption demodulator of the ASK type, which is robust against to the noise coming from the input signal, as well as in front of variations with a high dynamic range in the input power, and against process dispersions.
El demodulador objeto de la invención consiste en un circuito que consta de: un multiplicador de tensión diferencial, de topología Greinacher; un limitador de tensión a la salida del multiplicador; una fuente de corriente; un filtro paso bajo, el cual está compuesto por un par de diodos y un par de capacidades; y un comparador.The demodulator object of the invention consists of in a circuit consisting of: a voltage multiplier differential, of Greinacher topology; a voltage limiter to the multiplier output; a source of current; a step filter low, which is composed of a pair of diodes and a pair of capacities; and a comparator.
La entrada del circuito puede ser tanto una entrada diferencial, como una entrada de tipo single-ended. La forma de conseguir esta última es eliminando la simetría de su arquitectura y conectando el eje de simetría a tierra.The circuit input can be both a differential input, such as a type input single-ended The way to get the latter is eliminating the symmetry of its architecture and connecting the axis of ground symmetry
El multiplicador de tensión, es un circuito detector de envolvente, que es capaz de elevar la tensión de la señal de entrada a un nivel determinado para que su comparación sea realizable. Como su aplicación directa reside en los circuitos integrados, la topología más usada es la topología modificada Dickson (si el circuito es single-ended) o la topología Greinacher (si el circuito es de entrada diferencial).The voltage multiplier is an envelope detector circuit, which is capable of raising the voltage of the input signal to a certain level so that its comparison is feasible. As its direct application resides in integrated circuits, the most used topology is the modified Dickson topology (if the circuit is single-ended ) or the Greinacher topology (if the circuit is a differential input).
El multiplicador de tensión debe tener las etapas suficientes como para asegurar un voltaje mínimo a su salida. Por otro lado, el multiplicador de tensión no puede presentar una impedancia muy capacitiva, pues se requiere detectar la modulación en amplitud y una impedancia muy capacitiva minimiza el efecto de la modulación en amplitud, pues la constante de tiempo a la salida del multiplicador es mayor (\tau_{1}=RC) y por tanto el valor I_{DC} de la fuente de corriente deberá de ser mayor para descargar la energía almacenada en dicha capacidad. Esto supone un mayor consumo y una disminución en el rango dinámico, que no es aconsejable. Por tanto, existe un compromiso entre la tensión que se quiere alcanzar a la salida del multiplicador de tensión y el consumo del demodulador.The voltage multiplier must have sufficient stages to ensure a minimum voltage at its output. On the other hand, the voltage multiplier cannot have a very capacitive impedance, since it is necessary to detect the amplitude modulation and a very capacitive impedance minimizes the effect of the amplitude modulation, since the time constant at the output of the multiplier is greater ( \ tau_ {1} = RC ) and therefore the I_ {DC} value of the current source must be greater to discharge the energy stored in that capacity. This means greater consumption and a decrease in the dynamic range, which is not advisable. Therefore, there is a compromise between the voltage to be reached at the output of the voltage multiplier and the consumption of the demodulator.
En el conjunto funcional es necesario incluir un limitador de tensión, ya que el rango dinámico del circuito debe ser muy amplio. La problemática existente radica en que cuando haya mucha tensión a la entrada del circuito, la tensión existente a la salida del multiplicador de tensión puede ser tan grande que puede llegar a destruir los circuitos que se conecten después.In the functional set it is necessary to include a voltage limiter, since the dynamic range of the circuit must Be very broad. The existing problem is that when there is a lot of voltage at the circuit input, the existing voltage at the voltage multiplier output can be so large that it can get to destroy the circuits that connect later.
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Por otro lado, este limitador no debe de consumir hasta que no sobrepase un límite. De este modo, si la potencia de entrada es muy reducida, el limitador no consumirá y el demodulador podrá demodular la señal correctamente, ampliando el rango dinámico del circuito. En resumen, es aconsejable utilizar un limitador con dos estados: estado 1- consumo nulo; estado 2- consumo alto.On the other hand, this limiter should not consume until it does not exceed a limit. Thus, if the input power is greatly reduced, the limiter will not consume and the demodulator can demodulate the signal correctly, expanding the dynamic range of the circuit. In summary, it is advisable to use a limiter with two states: state 1- zero consumption; state 2- high consumption
Al presentar el circuito una carga capacitiva, cuando la amplitud de la señal varíe, la capacidad hace que esa variación se atenúe. Por ello, para detectar esa variación de amplitud, es necesario colocar una fuente de corriente antes de la detección. La fuente de corriente tiene que consumir lo mínimo necesario para asegurar una buena detección de modulación, sin perjudicar el consumo del resto del circuito.By presenting the circuit a capacitive load, when the amplitude of the signal varies, the capacity makes that Variation is attenuated. Therefore, to detect this variation of amplitude, it is necessary to place a current source before the detection. The current source has to consume the minimum necessary to ensure a good modulation detection, without impair the consumption of the rest of the circuit.
La detección se consigue comparando dos señales: la primera señal es la existente antes del filtrado (V_{IN+}) , y la otra es la que resulta una vez filtrada la señal (V_{REF+}). De esta forma se consigue una comparación relativa al nivel de potencia existente a la entrada, por lo que se amplía el rango dinámico. Además, este método hace que la sensibilidad a la modulación en amplitud sea muy buena, pues es una comparación ajustada entre dos señales relativas.Detection is achieved by comparing two signals: the first signal is the one before filtering (V_ {IN +}), and the other is the one that results once the signal is filtered (V_ {REF +}). In this way a comparison relative to the level of existing power at the input, so the range is extended dynamic. In addition, this method causes sensitivity to amplitude modulation is very good, it is a comparison adjusted between two relative signals.
El filtrado se realiza mediante dos diodos y dos capacidades. Los diodos sustituyen a las resistencias que usualmente se emplean en los filtros paso bajo. Estos diodos presentan una resistencia muy baja para la carga de los condensadores, lo que es deseable; y, en cambio, una resistencia muy alta para su descarga, por lo que la constante de tiempo es mayor (\tau_{2}=RC). De esta manera, se consigue una señal prácticamente invariable a un nivel de tensión relativo de la señal de salida del multiplicador de tensión. Es decir, que si la señal (V_{IN+}) varía bruscamente, la señal (V_{REF+}) permanece prácticamente invariable. Por ello, esta última señal es la que se toma como referencia en el comparador.Filtering is done using two diodes and two capacities. The diodes replace the resistors that are usually used in the low pass filters. These diodes have a very low resistance to the capacitor charge, which is desirable; and, on the other hand, a very high resistance to its discharge, so the time constant is greater ( \ tau_ {2} = RC ). In this way, a virtually unchanged signal is achieved at a relative voltage level of the output signal of the voltage multiplier. That is, if the signal (V_ {IN +}) varies sharply, the signal (V_ {REF +}) remains virtually unchanged. Therefore, this last signal is the one taken as a reference in the comparator.
Además, con la caída de tensión en los diodos se debe asegurar que el rizado existente a la salida del multiplicador, sobre todo en casos en que la potencia de entrada es muy elevada, no afecte a la demodulación.In addition, with the voltage drop in the diodes you must ensure that the existing curl at the exit of the multiplier, especially in cases where the input power is Very high, do not affect demodulation.
El comparador es un circuito simple y sensible a las dos señales (V_{IN+}) y (V_{REF+}). El comparador tiene dos etapas para que sea sensible y además, al añadir un diodo en la segunda etapa, resulta más robusto frente a las dispersiones de proceso, pues las desviaciones se compensan. Para que el comparador sólo consuma en los momentos que es necesario, se han incluido dos inversores en su entrada de alimentación, gobernados por una señal (ASK_enable).The comparator is a simple and sensitive circuit to the two signals (V_ {IN +}) and (V_ {REF +}). The comparator has two stages to be sensitive and also by adding a diode in the second stage, it is more robust against the dispersions of process, as the deviations are compensated. So that the comparator only consume at the times that are necessary, two have been included inverters at their power input, governed by a signal (ASK_enable).
La Figura 1 representa la arquitectura general de un circuito demodulador acorde con la presente invención.Figure 1 represents the general architecture of a demodulator circuit according to the present invention.
La Figura 2 representa la arquitectura del comparador del circuito demodulador.Figure 2 represents the architecture of the comparator of the demodulator circuit.
La Figura 3 muestra las señales (RF_{IN}), (V_{IN+}) y (V_{REF+}) para dos niveles de potencia de entrada distintos, siendo (P_{IN1}) mayor que (P_{IN2}).Figure 3 shows the signals (RF_ {IN}), (V_ {IN +}) and (V_ {REF +}) for two input power levels different, being (P_ {IN1}) greater than (P_ {IN2}).
La Figura 1 representa el diagrama de bloques del circuito demodulador objeto de la invención, donde el bloque (1) es un multiplicador de tensión, necesario para elevar la tensión de la señal de entrada, que se muestra usualmente baja, y poder así detectarla.Figure 1 represents the block diagram of the demodulator circuit object of the invention, where the block (1) is a voltage multiplier, necessary to raise the input signal voltage, which is usually low, and To be able to detect it.
Sin embargo, la señal de entrada puede tener también un valor elevado, y en este caso el multiplicador de tensión sigue elevando la señal de entrada, llegando incluso a poder alcanzar un nivel de tensión que puede dañar los circuitos acoplados posteriormente. Por esta razón se coloca un limitador de tensión, que podemos denominar bloque (2).However, the input signal may have also a high value, and in this case the multiplier of voltage continues to raise the input signal, even reaching be able to reach a voltage level that can damage the circuits coupled later. For this reason a limiter of tension, which we can call block (2).
En paralelo al limitador, también se incluye una fuente de corriente, denominada bloque (3). Esta fuente de corriente se encarga de que la señal (V_{IN+}) varíe con rapidez cuando las señales (R_{FIN1}) y (R_{FIN2}) se modulen en amplitud.In parallel to the limiter, a current source, called block (3). This source of current ensures that the signal (V_ {IN +}) varies rapidly when the signals (R_ {FIN1}) and (R_ {FIN2}) are modulated in amplitude.
El conjunto (D1-D2 y C1-C2), que se denomina bloque (4), realiza la función de un filtro paso bajo. Se han implantado diodos en vez de resistencias para forzar que la corriente circule en un único sentido, consiguiendo así que las capacidades no se descarguen y por tanto, la señal (V_{REF+}) sea más estable.The set (D1-D2 and C1-C2), which is called block (4), performs the function of a low pass filter. Diodes have been implanted instead of resistors to force current to circulate in a single sense, so that the capabilities are not downloaded and therefore, the signal (V_ {REF +}) is more stable.
Finalmente, las señales (V_{REF+}) y (V_{IN+}) se comparan en un comparador, denominado como bloque (5), el cual se representa desarrollado de una forma ampliada en la Figura 2.Finally, the signals (V_ {REF +}) and (V_ {IN +}) are compared in a comparator, called as a block (5), which is represented developed in an expanded manner in the Figure 2
En dicho comparador los transistores (M6-M9) funcionan como dos inversores en cascada que habilitan el comparador para que únicamente se active cuando la señal (ASK_enable) se active. El motivo de este desarrollo es para que el circuito ASK sólo consuma cuando sea necesario.In said comparator the transistors (M6-M9) function as two cascading inverters which enable the comparator to be activated only when the signal (ASK_enable) is activated. The reason for this development is for that the ASK circuit only consumes when necessary.
Los transistores (M1-M4) forman un amplificador diferencial con carga activa, de manera que trabajan como comparador. Al ser la corriente (I_{DC1}) constante, cuando la tensión (V_{REF+}) sea mayor que (V_{IN+}), las corrientes que pasan por cada rama del amplificador se descompensan, pasando más corriente por los transistores (M2) y (M4). De esta manera, la tensión en la puerta del transistor (M5) es suficientemente alta como para activar la segunda rama del amplificador compuesta por el diodo (D1), el transistor (M5) y la fuente de corriente (I_{DC2}). La inclusión del diodo (D1) hace que el comparador sea robusto frente a las dispersiones en el proceso de fabricación. Esto es debido a que estas dispersiones se compensan entre los distintos transistores y diodos. Por otro lado, al incluir un diodo entre (V_{DD2}) y el transistor (M5), la tensión en la puerta de dicho transistor deberá de ser algo menor para activarse y, por tanto, no depender tanto de las variaciones de la tensión umbral de los transistores. Finalmente, se incluye el buffer (B1) para obtener en la salida (OUT) una señal demodulada limpia para que la parte digital la detecte sin problemas.The transistors (M1-M4) form a differential amplifier with active load, so that They work as a comparator. Being the current (I_ {DC1}) constant, when the voltage (V_ {REF +}) is greater than (V_ {IN +}), the currents that pass through each branch of the amplifier is decompensated, passing more current through the transistors (M2) and (M4). In this way, the tension in the door of the transistor (M5) is high enough to activate the second branch of the amplifier composed of the diode (D1), the transistor (M5) and the current source (I_ {DC2}). The inclution of the diode (D1) makes the comparator robust against dispersions in the manufacturing process. This is due to these dispersions are compensated between the different transistors and diodes On the other hand, by including a diode between (V_ {DD2}) and the transistor (M5), the voltage at the gate of said transistor should of being something smaller to activate and, therefore, not to depend so much of the transistor threshold voltage variations. Finally, the buffer (B1) is included to obtain in the output (OUT) a clean demodulated signal for the digital part to Detect without problems.
La Figura 3 muestra las distintas señales del circuito para dos niveles de potencia de entrada distintos. En la primera gráfica se muestra la señal de radiofrecuencia modulada (RF_{IN}). Esta señal, en la salida del multiplicador (1) se convierte en la señal (V_{IN+}), que es una señal envolvente de radiofrecuencia, aunque con un ligero retraso debido a la impedancia capacitiva del multiplicador (1). Al filtrar esta señal, se obtiene la señal (V_{REF+}), que, como se muestra en la figura, permanece prácticamente constante aunque la señal (V_{IN+}) disminuya. Estas dos señales, (V_{IN+}) y (V_{REF+}), se comparan, de forma que cuando (V_{IN+}) sea menor que (V_{REF+}), el comparador (5) activa su señal de salida.Figure 3 shows the different signals of the circuit for two different input power levels. In the first graph shows the modulated radio frequency signal (RF_ {IN}). This signal, at the output of the multiplier (1) is converts to the signal (V_ {IN +}), which is a surround signal of radio frequency, although with a slight delay due to capacitive multiplier impedance (1). When filtering this signal, the signal (V_ {REF +}) is obtained, which, as shown in the figure, remains practically constant although the signal (V_ {IN +}) decrease. These two signals, (V_ {IN +}) and (V_ {REF +}), are compared, so that when (V_ {IN +}) is lower that (V_ {REF +}), the comparator (5) activates its output signal.
En la misma gráfica se muestran las señales para dos niveles distintos de potencia de entrada. Se ve cómo, aunque las potencias de entrada son distintas, el funcionamiento es el mismo, pues se comparan las dos señales (V_{IN+}) y (V_{REF+}), que son relativas al nivel de potencia de la entrada.The same graph shows the signals for Two different levels of input power. It looks like, though the input powers are different, the operation is the same, because the two signals (V_ {IN +}) and (V_ {REF +}) are compared, which are relative to the power level of the input.
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